JP2017532607A - Optical assembly and method of manufacturing optical assembly - Google Patents
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Abstract
本発明は光学アセンブリ及び光学アセンブリを製造する方法に関する。本発明は光学アセンブリの使用にも関する。個々の光供給ファイバの束を介して受光されたレーザ放射はファイバレーザファイバに導かれる。各供給ファイバはファイバのコアを取り囲むクラッド層を有し、このコア内に全内部反射を提供し、ファイバのクラッド層は少なくとも部分的に溶融されてゾーンを形成し、このゾーンは、このゾーン内の円筒状の構成に配置された供給ファイバのコアを含む。この構成によって、環状の光誘導ゾーンを有するファイバレーザファイバに供給可能な環状レーザ光の形成が提供され、環状レーザ光を例えばワークに提供することができる。【選択図】図2The present invention relates to an optical assembly and a method of manufacturing the optical assembly. The invention also relates to the use of an optical assembly. Laser radiation received through a bundle of individual light supply fibers is directed to a fiber laser fiber. Each feed fiber has a cladding layer that surrounds the core of the fiber and provides total internal reflection within the core, and the fiber cladding layer is at least partially melted to form a zone that is within the zone. Including a fiber core disposed in a cylindrical configuration. With this configuration, formation of an annular laser beam that can be supplied to a fiber laser fiber having an annular light guiding zone is provided, and the annular laser beam can be provided to a workpiece, for example. [Selection] Figure 2
Description
本発明はファイバ光学構成要素に関し、特に断熱光ファイバカプラ及びその使用に関する。本発明はまた、ファイバ光学構成要素製造のための、光ファイバの集束方法に関する。本発明は高出力レーザ光を用いた材料加工に特に適している。 The present invention relates to fiber optic components, and more particularly to adiabatic optical fiber couplers and uses thereof. The invention also relates to an optical fiber focusing method for the production of fiber optic components. The present invention is particularly suitable for material processing using high-power laser light.
高出力レーザ光は金属の切断及び溶接などの材料加工に広く用いられる。レーザ光を用いた加工速度は、材料の組成や厚さなどの種々の材料特性だけでなく、波長、ビーム質及びビームプロファイルなど、レーザ光自体の特性によって異なる。特に金属切断の用途において、ビームプロファイル、すなわち光の空間的な強度パターンは、切断速度及び品質に影響を与えると考えられてきた。レーザ光の典型的なプロファイルはガウス(ベル)形状又はスーパーガウス形状のいずれかで近似することができる。ガウス分布はシングルモードレーザ光源によって生成され、一方でスーパーガウス形状はマルチモードレーザによって生成される。スーパーガウス形状の極端な例としては、いわゆるシルクハット形状があり、この場合、ビーム内の強度は一定しており、ビーム外の強度はゼロである。ガウス状及びシルクハット状のビームに共通する特徴は、相当量の強度がビームの中心に存在することである。 High-power laser light is widely used for material processing such as metal cutting and welding. The processing speed using laser light varies depending on the characteristics of the laser light itself such as wavelength, beam quality, and beam profile as well as various material characteristics such as material composition and thickness. Particularly in metal cutting applications, the beam profile, ie the spatial intensity pattern of light, has been considered to affect the cutting speed and quality. The typical profile of the laser light can be approximated by either a Gaussian (bell) shape or a super Gaussian shape. The Gaussian distribution is generated by a single mode laser source, while the super Gaussian shape is generated by a multimode laser. An extreme example of a Super Gaussian shape is a so-called top hat shape, where the intensity inside the beam is constant and the intensity outside the beam is zero. A common feature of Gaussian and top hat beams is that a significant amount of intensity exists in the center of the beam.
金属をレーザ光で切断する場合、典型的に、レーザ光は、集光レンズで100〜500μmのスポットに集光されてエネルギー密度が高められ、ワークを1500℃以上の金属融点に瞬時に加熱して、溶融又は昇華させる。同時にアシストガスを供給して溶融物を除去し、ワークを切断してもよい。ワークが厚い軟鋼板(炭素鋼板)の場合、アシストガスとして酸素を用いて酸化反応熱を発生させ、その熱も利用してワークを切断する。 When a metal is cut with a laser beam, the laser beam is typically focused on a spot of 100 to 500 μm by a condenser lens to increase the energy density, and the workpiece is instantaneously heated to a metal melting point of 1500 ° C. or higher. To melt or sublimate. At the same time, an assist gas may be supplied to remove the melt and cut the workpiece. When the workpiece is a thick mild steel plate (carbon steel plate), oxygen is used as an assist gas to generate heat of oxidation reaction, and the workpiece is cut using the heat.
固体レーザ又はファイバレーザからの1マイクロメータ波帯のレーザ光は、CO2レーザからの10マイクロメータ波帯のレーザ光と比べて非常に高い光エネルギー強度及び吸光度を、金属ワーク上に実現させる。 Laser light of 1 micrometer wave band from a solid state laser or fiber laser realizes a very high light energy intensity and absorbance on a metal workpiece as compared with laser light of 10 micrometer wave band from a CO2 laser.
しかしながら、ガウシアンビームの1マイクロメータ波帯のレーザ光を酸素アシストガスと共に使用して軟鋼板ワークを切断すると、ワークの上面の溶融幅が不必要に広がり、 切断カーフコントロールが損なわれる。更に自己燃焼が生じてレーザ切断の質を悪化させる可能性がある。しかしながら欧州特許出願第2762263号(特許文献1)において、ファイバレーザのレーザ光をリングビーム状に形成し、このリングビームでワークを切断すると、CO2レーザによる切断と同じ効果が得られることがわかっている。 However, when a 1-micrometer wave band laser beam of a Gaussian beam is used together with an oxygen assist gas to cut a mild steel plate workpiece, the melting width of the upper surface of the workpiece is unnecessarily widened and cutting kerf control is impaired. In addition, self-combustion can occur, degrading the quality of laser cutting. However, in European Patent Application No. 2762263 (Patent Document 1), it has been found that if the laser beam of a fiber laser is formed in a ring beam shape and the workpiece is cut with this ring beam, the same effect as cutting with a CO2 laser can be obtained. Yes.
確かに環状又は「ドーナツ」形状で近似することのできる強度プロファイルを持つレーザ光での金属切断は、切断速度及び品質に関して良好な結果を生み出してきた。例えば、所定の厚さの金属の切断は、従来のビームプロファイルの代わりにドーナツ状のビームを使用すると、はるかに低い出力で行うことができると考えられてきた。従って、このような用途用の高出力レーザ光源を製造する企業の中には、ドーナツ形状に近づく又は近似するビームプロファイルを生成する方法を開発したところもある。これらの方法には、レーザ共振器のリングモード、例えば横(TEM)モードを使用したもの、又は洗練され、しばしば特許で保護された電気光学法を用いたビームの成形を含むものもある。ドーナツ状のビームにおいて、強度プロファイルはビームの中心に相対的に暗い凹み又は領域を有し、最大放射強度の領域はその中心の凹みの周りにリング状のパターンを形成する。 Certainly, metal cutting with laser light having an intensity profile that can be approximated in an annular or “doughnut” shape has yielded good results in terms of cutting speed and quality. For example, it has been thought that cutting a metal of a given thickness can be done with a much lower power when using a donut-shaped beam instead of a conventional beam profile. Accordingly, some companies that manufacture high power laser sources for such applications have developed methods for generating beam profiles that approximate or approximate a donut shape. Some of these methods include using a laser resonator ring mode, such as the transverse (TEM) mode, or shaping the beam using sophisticated and often patented electro-optic methods. In a donut-shaped beam, the intensity profile has a relatively dark depression or region at the center of the beam, and the region of maximum radiation intensity forms a ring-shaped pattern around the central depression.
米国特許出願公開第20110293215号(特許文献2)は、中空光ファイバ又はファイバ結合型マイクロアキシコンレンズアセンブリを用いて、ガウスモードビームを環状モードビームに変換する手段を開示している。 US Patent Publication No. 20110293215 discloses a means for converting a Gaussian mode beam into an annular mode beam using a hollow optical fiber or a fiber coupled microaxicon lens assembly.
特開2013−139039号広報(特許文献3)より、複数の光ファイバを対応する数のコリメートレンズに向け、2つ以上の光ファイバからのレーザ光を平行にすることが知られている。この手段はコリメートレンズからの平行光を集光する集光レンズを有し、一方で光ファイバは駆動機構によって移動され、幾つかある形状の中で環状ビームが生成される。 From JP 2013-139039 A (Patent Document 3), it is known that a plurality of optical fibers are directed to a corresponding number of collimating lenses, and laser beams from two or more optical fibers are made parallel. This means has a condensing lens that collects the parallel light from the collimating lens, while the optical fiber is moved by a drive mechanism to produce an annular beam in several shapes.
米国特許第7348517号(特許文献4)には、例えば鋼板をレーザ光で切断する際にワークの溶融物を除去する課題が述べられている。酸素などのアシストガス又は不活性溶接ガスをレーザ光と同軸的に注入して、溶融物が局部的に取り除かれるようにしている。厚い板で適切なガス圧を維持すると、溶融金属を吹き払う出力が不十分になる傾向がある。環状ビームを生成するにはTEM10モードが用いられ、この集光性は、ガスレーザ発振器の構成の修正、及び/又は使用される光学ミラー及びレンズシステムの構成の修正によって最適化される。 U.S. Pat. No. 7,348,517 (Patent Document 4) describes a problem of removing a workpiece melt when, for example, a steel plate is cut with a laser beam. An assist gas such as oxygen or an inert welding gas is injected coaxially with the laser beam so that the melt is removed locally. If an appropriate gas pressure is maintained with a thick plate, the power to blow off the molten metal tends to be insufficient. The TEM10 mode is used to generate the annular beam, and this focusing is optimized by modifying the configuration of the gas laser oscillator and / or modifying the configuration of the optical mirror and lens system used.
欧州特許出願第0464213号(特許文献5)は、ワークを主にリングモードのレーザ光で切断し、ガスを光学システムの表面にかけてシステムを冷却することにより、軟鋼などの厚い板のワークをレーザ光で切断する方法を開示している。集束レンズとしてKCL(塩化カリウム)レンズが使用される。 European Patent Application No. 0464213 (Patent Document 5) cuts a workpiece mainly with a ring mode laser beam and cools the system by applying a gas to the surface of the optical system, thereby laser beaming a thick plate workpiece such as mild steel. Discloses a method of cutting with a. A KCL (potassium chloride) lens is used as the focusing lens.
最後に国際公開第2009003484号(特許文献6)は、集束された光ファイバからなる第1光学セグメントを、内側クラッドを含む導波管を有する第2セグメントと結合させて光がリング状の領域に導かれるようにした、断熱的光学カプラを開示している。光をリング状の誘導領域に閉じ込めるため、内側クラッドはドープしていないシリカに対して低い屈折率を有している。 Finally, International Publication No. 2009003484 (Patent Document 6) combines a first optical segment made of a focused optical fiber with a second segment having a waveguide including an inner clad, so that the light enters a ring-shaped region. An adiabatic optical coupler adapted to be guided is disclosed. In order to confine light in the ring-shaped guiding region, the inner cladding has a low refractive index relative to undoped silica.
レーザ光を用いる材料加工用途において、ビームの明るさを最大限にすることは一般的に好適である。明るさは、単位立体角及び単位面積あたりの出力と定められる。明るさの重要性を示す例として、レーザ光の明るさを増加させるということは、レーザ光を加工速度又は材料厚を増加させるために使用することができることを意味する。従って、光ファイバの束によって放出される光の明るさを最大限にするには、ファイバのコアを実行可能な限り相互に近接させなければならない。 In material processing applications using laser light, it is generally preferable to maximize the brightness of the beam. Brightness is defined as the output per unit solid angle and unit area. As an example of the importance of brightness, increasing the brightness of the laser light means that the laser light can be used to increase the processing speed or material thickness. Thus, to maximize the brightness of the light emitted by the fiber optic bundle, the fiber cores must be as close together as practicable.
例えば、クラッド径125μm、コア径20μmの多数の光ファイバを集束すると高い輝度は得られない、というのも、ファイバのコアは束内において比較的相互に離れているからである。集束の明るさを増加させたいのであれば、ファイバにおけるコア間の間隔を低減させる必要がある。従来技術による手段では、この問題は適切に対処されていない。大きすぎるファイバや光路の断絶又は逸脱によって失われた明るさは、取り戻すことはできない。 For example, when a large number of optical fibers having a cladding diameter of 125 μm and a core diameter of 20 μm are focused, high brightness cannot be obtained because the fiber cores are relatively far apart in the bundle. If it is desired to increase the brightness of the focus, it is necessary to reduce the spacing between the cores in the fiber. Prior art measures do not adequately address this problem. Brightness lost due to too large a fiber or a break or deviation in the optical path cannot be recovered.
本発明の目的は、輝度や光度の非常に高い環状又はリング状のレーザの放射パターンを生成するロバストな方法を実現させることである。このようなリング状の強度分布パターンは、レーザ光を使用する材料加工において、産業的にすぐに適用することができる。 An object of the present invention is to realize a robust method for generating an annular or ring-shaped laser radiation pattern with very high brightness and luminous intensity. Such a ring-shaped intensity distribution pattern can be immediately applied industrially in material processing using laser light.
本発明の目的は、独立請求項に記載された光学アセンブリ及び方法によって達成される。 The object of the invention is achieved by an optical assembly and method as set out in the independent claims.
発明的光学アセンブリ及び方法は、特に100W〜kWの出力範囲で作動するファイバ光学構成要素に関するものである。特にこの構成要素のスループットは少なくとも100W,特に少なくとも1kWであり得る。この構成要素の供給ファイバは、ファイバレーザ又はその他の任意のファイバデリバリレーザ光源であってもよいし、これに結合させてもよい。十分な量の明るさは、薄いファイバを使用し、ファイバのクラッドを溶融し、光路内の乱れ又はずれをなくす、又は少なくとも最小限に抑えることによって維持される。このようにしてファイバのコアをコア径に応じて相互に接近させる。 Inventive optical assemblies and methods relate specifically to fiber optic components operating in the 100 W to kW power range. In particular, the throughput of this component can be at least 100 W, in particular at least 1 kW. The component supply fiber may be a fiber laser or any other fiber delivery laser source or may be coupled thereto. A sufficient amount of brightness is maintained by using thin fibers, melting the fiber cladding, eliminating or at least minimizing disturbances or misalignments in the optical path. In this way, the fiber cores are brought close to each other according to the core diameter.
本発明の一態様によれば、個々の光供給ファイバの束を介して受光されたレーザ放射を導く光学アセンブリを提供する。各供給ファイバはファイバのコアを取り囲む少なくとも1つのクラッド層を有する。本発明によれば、ファイバのクラッド層は、少なくとも部分的に円筒状の閉じ込め部に溶融されてゾーンを形成し、このゾーンは、このゾーン内の円筒状の構成に配置された供給ファイバの少なくとも一部のコアを含む。これによって環状の光ガイドが提供され、これにより、レーザ光は例えば「ドーナツ」状のファイバレーザファイバに供給される。本発明はレーザ放射の強度パターンが環状の形状を有する必要のある、任意の種類のファイバレーザ装置に使用することができる。 According to one aspect of the invention, an optical assembly is provided that directs laser radiation received through a bundle of individual light delivery fibers. Each feed fiber has at least one cladding layer surrounding the fiber core. According to the present invention, the cladding layer of the fiber is at least partially melted into a cylindrical confinement to form a zone, which zone is at least of a supply fiber arranged in a cylindrical configuration within this zone. Includes some cores. This provides an annular light guide, whereby the laser light is supplied to a fiber laser fiber, for example in a “donut” shape. The present invention can be used in any type of fiber laser device where the intensity pattern of the laser radiation needs to have an annular shape.
一実施形態において、個々の光供給ファイバの束は溶融されて管状ゾーンを形成し、このゾーンは、このゾーンは、このゾーン内の円筒状の構成に配置された供給ファイバのコアを含む。また、個々の光供給ファイバの束は、環状ゾーンの中心に溶融された更なる光ファイバを有し、環状のレーザ光の中心にもレーザ光を提供することが可能になる。この中心のファイバは、その唯一のタスクが供給ファイバの位置をファイバが溶融される管状の型の周辺に沿って保持することを補助することである、ダミー又は未使用のファイバであってもよい。 In one embodiment, the bundles of individual light delivery fibers are melted to form a tubular zone that includes a core of delivery fibers arranged in a cylindrical configuration within the zone. Also, the bundle of individual light supply fibers has a further optical fiber melted in the center of the annular zone, which makes it possible to provide laser light also in the center of the annular laser light. This central fiber may be a dummy or unused fiber whose sole task is to help maintain the position of the supply fiber along the periphery of the tubular mold in which the fiber is melted. .
本発明の一態様によれば、個々の光供給ファイバの束を介して受光されたレーザ放射をファイバレーザファイバに導く光学アセンブリを製造する方法が提供される。この発明的方法は、
‐円筒状の型を提供するステップと;
‐上述の型において、円筒状の周囲に沿って複数の光供給ファイバをはめ込むステップであって、各ファイバはコアと、このコアを取り囲み、このコア内に全内部反射を提供する少なくとも1つのクラッド層とを有するステップと;
‐上述の型内の上述のファイバのクラッド材料に熱を加えて少なくとも部分的に溶融し、上述の供給ファイバのコアの少なくとも一部が溶融されたクラッド材料内の円筒状の構成に配置されたゾーンを形成するステップとを含む。
According to one aspect of the invention, a method is provided for manufacturing an optical assembly that directs laser radiation received through a bundle of individual light delivery fibers to a fiber laser fiber. This inventive method
-Providing a cylindrical mold;
-In the mold described above, the step of fitting a plurality of light supply fibers along a cylindrical circumference, each fiber surrounding the core and at least one cladding surrounding the core and providing total internal reflection in the core A step having a layer;
-The cladding material of the above-mentioned fiber in the above-mentioned mold is heated and at least partially melted, and at least a part of the core of the above-mentioned supply fiber is arranged in a cylindrical configuration in the molten cladding material Forming a zone.
実施形態によれば、溶融ステップにおいて、上述のファイバのクラッド材料を溶融して環状ゾーンを形成し、このゾーンは、このゾーン内の円筒状の構成に配置された上述の供給ファイバのコアを含む。環状ゾーンの中心に更なる光ファイバを溶融してもよい。 According to an embodiment, in the melting step, the cladding material of the fiber described above is melted to form an annular zone, the zone comprising the core of the supply fiber described above arranged in a cylindrical configuration within the zone. . Additional optical fiber may be melted in the center of the annular zone.
好適には、溶融ステップは、ウエスト部を形成する内径を有する管状の型を用い、熱を加えてこのウエスト部のファイバ束を溶融することによって行う。供給ファイバのコア同士の間隔は、ファイバ束と溶融するため、比較的小さい。このためファイバ束の溶融された部分は1つのガラス、又は少なくとも溶融されたファイバクラッドのコンパクトなゾーンを形成し得る。 Preferably, the melting step is performed by using a tubular mold having an inner diameter forming a waist portion and applying heat to melt the fiber bundle of the waist portion. The spacing between the cores of the supply fiber is relatively small because it melts with the fiber bundle. Thus, the molten portion of the fiber bundle can form a single glass or at least a compact zone of the molten fiber cladding.
発明的光学アセンブリで生成される環状のレーザ光は、レーザ放射を導くことのできるコアを有するファイバに供給される。供給ファイバのコアは、有利には、ドーナツ状のファイバレーザファイバの管状コア領域と重なり合う、所定の大きさの環状ゾーン又は領域に配置される。このようなコア領域はこれを取り囲む材料よりも屈折率が高く、コア領域に全内部反射を提供する。種々の実施形態は従属請求項で定められている。環状ゾーンが環状ゾーンで囲まれた材料、及びこの外側にある材料よりも高い屈折率を有する場合、レーザ光はワークへと導かれ、ワークは、例えば、環状強度プロファイルの劣化並びに光パワー及び強度の減衰を最小限に抑えて切断される。 The annular laser light produced by the inventive optical assembly is fed into a fiber having a core capable of directing laser radiation. The core of the feed fiber is advantageously arranged in an annular zone or region of a predetermined size that overlaps the tubular core region of the donut-shaped fiber laser fiber. Such a core region has a higher refractive index than the surrounding material and provides total internal reflection to the core region. Various embodiments are defined in the dependent claims. If the annular zone has a higher refractive index than the material surrounded by the annular zone and the material outside this, the laser light is directed to the workpiece, which can be, for example, degraded annular strength profile and optical power and intensity. Cutting with minimal attenuation.
要約すると、上述の方法は、ファイバ連結レーザ光源に「リング状」ビームプロファイルを生成する、シンプルで効率的な方法である。第1及び第2の光学素子を接合する好適な方法において、自由空間光通信は必要とされない。複雑な電気機械システム及び電気光学システムは使用されない。入射にはシングルモード又はマルチモードのレーザ光源を使用することができ、公開されているいくつかのリング生成器とは異なり、レーザ光源の共振器特性をリング状の強度分布生成のために変える必要はない。 In summary, the method described above is a simple and efficient way of generating a “ring-shaped” beam profile for a fiber coupled laser source. In the preferred method of joining the first and second optical elements, free space optical communication is not required. Complex electromechanical and electro-optic systems are not used. A single-mode or multi-mode laser light source can be used for incidence, and unlike some publicly available ring generators, the resonator characteristics of the laser light source need to be changed to generate a ring-shaped intensity distribution There is no.
本発明の手段によってかなりの利点が得られる。本構成要素は、好適には溶融された全ガラス構成要素であるため、コンタミネーションによるアライメントエラー又は破壊効果は発生しない。この構成要素は時間の経過や環境の変化に対して安定しているため、材料加工の品質はこれらの影響を受けない。レーザ溶接及びレーザ切断を対象とする、又はこれらで用いられる構成要素において特定の利点が得られる。 Significant advantages are obtained by the means of the present invention. Since this component is preferably an all-glass component that has been melted, there is no alignment error or destruction effect due to contamination. Since this component is stable over time and environmental changes, the quality of material processing is not affected by these. Certain advantages are gained in components directed to or used in laser welding and laser cutting.
次に、本発明の実施形態を添付の図面を参照して詳述する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の一実施形態による光学素子のプリフォームを構成する光ファイバ11の束10の断面図である。束はNケのファイバ(ここでN=4)を有する。各ファイバ11はコア12とクラッド13とを有する。クラッドはコア12よりも屈折率の低い材料で作られている。当業者に周知であるように、このようなファイバ(ステップインデックスファイバとも称される)のコアに入射した光は、コアとクラッドの間の屈折率段差によって導かれ、全内部反射の原理に従ってコア内にとどまる。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a
複数のコアによって形成された光学パターンの明るさを最大限にするために、本発明による束のファイバは非常に薄くなっている。特に、ファイバ径は40μm、又はこれ以下であってもよい。このように薄いファイバの取り扱い及び集束は大変困難なので、好適には、支持する円筒状の型内で束の溶融を行い、製造可能性を高める。 In order to maximize the brightness of the optical pattern formed by the multiple cores, the bundle fiber according to the invention is very thin. In particular, the fiber diameter may be 40 μm or less. Since handling and focusing of such thin fibers is very difficult, the bundle is preferably melted in a supporting cylindrical mold to increase manufacturability.
図2は本発明の一実施形態による光学アセンブリを形成する、溶融束20を示す。溶融束20は、先ず、図1に示す様な集束されたファイバのプリフォーム10を形成し、次に予め形成された束を毛細管からなる加熱された円筒状の型から引き出すことによって生成される。型を通る際、ファイバ21のクラッド23は制御されて溶融される。コア22によって形成される空間的なパターンは、プリフォームと型によって決定される。この場合、溶融束はNケのコア領域22(この場合N=4)を有する。クラッド領域23及び場合によってはコア領域22も溶融プロセスにより、その初期の概ね丸い形状から変形される。図2の点線は、図1の束の個々のファイバ11の近似の変形境界を示す。このような物理インターフェースは溶融プロセスで消滅し得る。
FIG. 2 shows a
溶融束20のコアの最終的な物理的寸法及び空間的隔離は、ファイバの寸法及びクラッドの溶融の度合いによって決定される。外層24は管状の型によって構成される。このように毛細管はファイバと溶融され、ガラスの固体部分が形成される。これによって機械的堅牢性の高い溶融ファイバ束が提供され、ファイバ束と毛細管が溶融されて、堅い固体のガラス片が形成される。あるいは、型が構造の一部でない場合、溶融されたファイバに任意の適切なクラッドを形成することができる。形成されたファイバ束20を従来の方法で研磨又は劈開し、平坦な端部又は界面表面を形成してもよく、ファイバ光学の一般的な方法を用いて、外部の保護ポリマコーティングの付加や剥離など、結果として生じるファイバに更に加工を行ってもよい。
The final physical dimensions and spatial separation of the core of the
図3aは、図2の溶融ファイバ束から出力されたレーザ光を受光する、環状に形成された光ガイド(ドーナツ状ファイバ)を有するファイバレーザファイバ30を示している。ドーナツ状ファイバ30は、中心クラッド34、環状光ガイド又はコア31、1次クラッド32及び2次クラッド33を有する。ドーナツ状ファイバ30をファイバ光学の周知の方法を用いて研磨又は劈開して、これに平面を形成してもよい。
FIG. 3a shows a
溶融ファイバ束20及びドーナツ状ファイバ30は、接合又は自由空間光通信(レンズなど)のいずれかによって光学的に結合させてもよい。供給ファイバ21のコアからドーナツ状ファイバのコア31へと光学的に結合されるレーザ放射は、ドーナツ状ファイバの出力面でドーナツ形状に近似することのできる、空間的な強度分布を形成する。この空間的な強度パターンは更に加工光学系によってワークに結像させることができる。
The
図3bは図3aのドーナツ状ファイバ30の可能な屈折率プロファイルを示す。中心クラッド34はn4の屈折率を有し、1次クラッド32はn2の屈折率を有する。コア31の屈折率はn1であり、光がコア31に入って導かれたままとなるように、n1>n2、n1>n4である。2次クラッドの屈折率n3は、大きさに関する明確な制限はないが、実際この領域は一般的に純粋な溶融シリカで構成されているので、n3は約1.45であり得る。溶融シリカの屈折率は不純物をドープすることによって調整することができる。例えば、溶融シリカにゲルマニウムをドープすると屈折率は増加し、フッ素をドープすると屈折率は低下する。従ってドーナツ状ファイバのコア31は、ゲルマニウムをドープした溶融シリカで構成し、1次クラッド32は、フッ素をドープした溶融シリカで構成してもよい。中心クラッド34及び2次クラッド33はドープしていない溶融シリカで構成してもよい。
FIG. 3b shows a possible refractive index profile of the
ファイバ30の異なる領域の屈折率値に対する要求を満たす、その他の材料の選択ももちろん可能である。光は中心クラッド34にもいくらか入射するので、1次クラッドの屈折率をn2を中心クラッドの屈折率n4よりも小さくして、中心クラッド34に入射された光が1次クラッド32に確実に伝搬しないようにすることもできる。
Of course, other material choices that meet the requirements for refractive index values in different regions of the
図4aを参照すると、一実施形態によれば、管状の鋳造装置は、ほぼ一定した直径の適切な長さ(例えば1mm〜5cm、好適には3mm〜3cm)のウエスト部43を得るために、ガラス延伸法によって先細に形成された毛細管42(例えば、溶融シリカ、 石英、ドープ石英など)を有している。供給ファイバ41の束40は毛細管42内にはめ込まれている。ウエスト部43における毛細管42の内径は、供給ファイバ41の束40の外径よりも例えば僅かに約1μmだけ大きく構成されている。束40は適切な集束補助ツールによって密集させて構成してもよく、束の幾何学的形状を接着コーティング(図示せず)などを有する供給ファイバによって固定してもよい。
Referring to FIG. 4a, according to one embodiment, the tubular casting apparatus is used to obtain a
毛細管のウエスト部43内では、供給ファイバ41の束を、例えば加熱ゾーン44に熱を加えることによって毛細管42の壁と溶融して、好適にはファイバの断熱的(漸進的)溶融を行う。結果、溶融ファイバ束45となる。
Within the
図4bは代替的実施形態を示しており、ここでは、ウエスト部47を有する管状の型46は溶融ファイバ束48の一部を形成していない。図4a及び図4bの実施形態はいずれも本発明の重要な特徴、すなわち、溶融されるファイバ束に対して非常に穏やかな製造ステップを実行するものであり、光学アセンブリ全体を通して断熱的な光の誘導が維持されることを示している。実際これはファイバコアの変形、屈曲及び乱れを可能な限り回避するということである。
FIG. 4 b shows an alternative embodiment, where the
尚、通常、関連する幾何学的形状のため、ファイバのコアの断面は、束のファイバと毛細管とが溶融され、ファイバ間及びファイバと円筒状の型の内壁との間のエアポケットが溶融中にガラスのリフローによって消滅するに従い、概ね円形から非円形へと変化する。ファイバの形状の変化は、溶融された領域の長さに沿って、漸進的(断熱的)に行われなければならない。漸進的な形状の変化は、ファイバが細長い溶融領域に沿って一定速度で移動するに従い、図4a及び図4bに示すゾーン44のような加熱ゾーンの加熱パワーを制御する、若しくは熱源の速度を一定の加熱パワーで上げる、又はこれらの組み合わせによって達成することができる。最小の加熱パワーは、供給ファイバ41のコアが元の形状のままで、毛細管(又は型)が実質的に破壊されない程度のものとする。コア形状の漸進的な変化は、レーザ放射の明るさの損失や低下を低く抑えるために欠かせないものである。
In general, due to the associated geometry, the cross section of the fiber core is such that the bundle of fibers and capillaries are melted and the air pockets between the fibers and between the fibers and the inner wall of the cylindrical mold are melting. As it disappears due to glass reflow, it changes from a circular shape to a non-circular shape. The fiber shape change must be made progressively (adiabatic) along the length of the melted region. A gradual shape change controls the heating power of a heating zone, such as
図5は、7つの供給ファイバを有する溶融ファイバ束50を使用する発明における実施形態の断面図である。供給ファイバのこの密集した構成において、ファイバのうちの1つは束の中心に配置され、残りの6つのファイバは円筒状に配置され、円形に配置された断面に現れている。周囲のファイバはコア51を有し、中心のファイバはコア52を有する。固体ガラスマトリックス53は7つの個々の供給ファイバのクラッド、毛細成形管及び/又は元のファイバ束の周囲に適用されたその他のクラッドで構成される。
FIG. 5 is a cross-sectional view of an embodiment of the invention that uses a
図6は、図5の溶融された束50と図3aのドーナツ状ファイバ30との間の光学的界面を示している。わかりやすいようにするために、符合から点線をひいて、点線によって表される構造を指している。環状に配置され、今や溶融された供給ファイバのコア51は、光パワーがドーナツ状ファイバ30のコア31に入射されるように整列されている。これに応じて、 溶融束50の中心ファイバ52のコアは、ドーナツ状ファイバ30の中心クラッド34に光パワーを入射するように構成される。従ってドーナツ状ファイバ30の中心の光度は、光パワーが溶融束50のファイバ全てに入射されるのであれば、ゼロにはならない。
FIG. 6 shows the optical interface between the melted
溶融束50及びドーナツ状ファイバ30の寸法は、周囲のファイバ51がドーナツ状ファイバ30の中心クラッド34と重なるように選択してもよい、というのも場合によってはコア51からの光パワーもいくらか中心クラッド34に入射されることが好ましいからである。中心クラッド34に入射される光パワーはクラッドに拘束され続けるわけではない、というのも、屈折率n4はコア31の屈折率n1よりも小さいからである。
The dimensions of the
一方でコア間の重なりが100%となる、すなわち、ファイバ束50の全てのコア51がドーナツ状ファイバ30のコア31の内部にはめ込まれ、コア52が本質的に暗く保たれる場合、光パワーは中心クラッド34に入射されない。よって、中心クラッド34も暗く見える、すなわち、実際に光度はゼロである。
On the other hand, when the overlap between the cores is 100%, that is, when all the
このように、光学素子30及び50のコア領域の空間的構成及び寸法は、コアの完全な重なりを画定する。ほとんどの場合、1次クラッド32にパワーを入射しないことは好適である、というのもこの光はコア31及び中心クラッド34に含まれず、そのため構成要素にとって望ましくない損失と考えられ得るからである。これは特に重要な実用的ケースであるn3>n2の場合にあてはまり、この場合、1次クラッド32に入射した光はどれも2次クラッド33に漏れる。
Thus, the spatial configuration and dimensions of the core regions of
尚、開示した発明の実施形態は、本明細書に開示した特定の構造、工程ステップ又は材料に限定されず、当業者によって認識されるような、それらの均等物に拡大されると理解されたい。また、本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明する目的のみに使用され、限定することを意図するものではないことも理解されたい。 It should be understood that embodiments of the disclosed invention are not limited to the specific structures, process steps, or materials disclosed herein, but are extended to equivalents thereof as would be recognized by one skilled in the art. . It is also to be understood that the terminology used herein is used for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting.
本明細書中の「一実施形態(one embodiment)」又は「一実施形態(an embodiment)」に対する参照は、実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造又は特性が、本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書中の種々の箇所に記載される「一実施形態(one embodiment)」又は「一実施形態(an embodiment)」のフレーズは、必ずしも全てが同じ実施形態を指しているのではない。 References herein to “one embodiment” or “an embodiment” refer to a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment, that is at least It is meant to be included in one embodiment. Accordingly, the phrases “one embodiment” or “an embodiment” described at various places in the specification are not necessarily all referring to the same embodiment. .
本発明の種々の実施形態及び実施例は、本明細書において、その種々の構成要素の代替例と共に参照されてもよい。このような実施形態、実施例及び代替例は、事実上相互に同等のものであると解釈してはならず、本発明の独立、自律した表現とみなされるべきであると理解されよう。 Various embodiments and examples of the invention may be referred to herein, along with alternatives to their various components. It will be understood that such embodiments, examples and alternatives should not be construed as substantially equivalent to each other and should be regarded as an independent and autonomous representation of the invention.
更に、記載した特徴、構造又は特性は任意の適切な方法によって1つ又は複数の実施形態に組み合わせることができる。本明細書において、長さ、幅、形状などの例などの、多数の特定の詳細を提供することにより、本発明における実施形態の完全な理解を提供した。しかしながら当業者であれば、本発明は、1つ又は複数の特定の詳細なく実施できる、あるいは他の方法及び構造などによって実施できると理解されよう。他の例では、実施形態の説明を不明瞭にするのを避けるため、周知の構造又は動作の詳細を図示していない。 Furthermore, the described features, structures, or characteristics may be combined into one or more embodiments by any suitable method. In this specification, a number of specific details, such as examples of length, width, shape, etc., have been provided to provide a thorough understanding of embodiments in the present invention. However, one of ordinary skill in the art appreciates that the invention can be practiced without one or more specific details, or with other methods and structures. In other instances, well-known structures or operations are not shown in detail in order to avoid obscuring the description of the embodiments.
上述の実施例は、本発明の原理を1つ又は複数の特定の用途において説明したものであるが、当業者にとっては、実施の形態、使用法及び詳細の多くの変更を、発明的才能を行使せず、かつ本発明の原理及び概念から逸脱することなく行うことができることは明らかであろう。従って、本発明は以下に記載する請求項を除いて限定されることは意図されていない。 While the above examples illustrate the principles of the present invention in one or more specific applications, those skilled in the art will appreciate that many changes in the embodiments, usage and details can be found in the invention. It will be apparent that this can be done without exercising and without departing from the principles and concepts of the present invention. Accordingly, the invention is not intended to be limited except as by the claims set forth below.
Claims (8)
‐円筒状の型を提供するステップと、
‐前記型内の円筒状の周囲に沿って複数の光供給ファイバをはめ込むステップであって、各ファイバはコアと、該コアを取り囲み、該コア内に全内部反射を提供する少なくとも1つのクラッド層とを有するステップと、
‐前記型内の前記ファイバのクラッド材料に熱を加えて少なくとも部分的に溶融し、前記供給ファイバのコアの少なくとも一部が前記溶融されたクラッド材料内の円筒状の構成に配置されたゾーンを形成するステップとを含むことを特徴とする方法。 A method of manufacturing an optical assembly that directs laser radiation received by a bundle of individual light delivery fibers, comprising:
-Providing a cylindrical mold;
-Fitting a plurality of light delivery fibers along a cylindrical circumference in the mold, each fiber surrounding the core and at least one cladding layer providing total internal reflection in the core A step comprising:
-Applying a heat to the fiber cladding material in the mold to at least partially melt and providing a zone in which at least a portion of the core of the supply fiber is arranged in a cylindrical configuration within the molten cladding material; Forming the method.
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